Comprendre le Fonctionnement en Mode Actif du JFET : Des Simulations SPICE à la Transconductance

Les transistors à effet de champ à jonction (JFET) se comportent beaucoup comme les transistors bipolaires (BJT) en ce qu'ils peuvent opérer dans un régime actif — entre coupure et saturation — où ils régulent le courant. Pour illustrer ce comportement, nous allons exécuter une simulation SPICE qui miroir celle utilisée pour étudier le fonctionnement de base des BJT.

Simulation SPICE d'un JFET

jfet simulation vin 0 1 dc 1 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Dans le schéma, le transistor étiqueté « Q1 » est écrit comme j1 dans la netlist SPICE. Bien que les diagrammes de circuit utilisent routinièrement la lettre « Q » pour désigner tout transistor, SPICE requiert un préfixe spécifique pour identifier le type de dispositif : q pour les BJT et j pour les JFET.

Le signal de commande est une source de 1 V stable appliquée avec la borne négative à la grille et la positive à la source, polarisant ainsi en inverse la jonction PN grille-source. Contrairement à un BJT, qui est commandé en courant, un JFET est commandé en tension, donc une tension grille-source de 1 V fixe le courant de drain.

Comme un BJT, un JFET maintient le courant de drain près d'une valeur fixe alors que la tension d'alimentation augmente — jusqu'au point où la claquage se produit. Pour confirmer ceci, nous balayons la tension d'alimentation de 0 à 50 V tout en maintenant la tension de grille constante.

jfet simulation vin 0 1 dc 1 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Le courant de drain reste stable à 100 µA indépendamment de la tension d'alimentation, démontrant la capacité du JFET à réguler le courant sur une large plage de tension.

Puisque la tension de grille contrôle le rétrécissement du canal, l'ajuster est le seul moyen de décaler le niveau de courant régulé — tout comme varier le courant de base décale le courant de collecteur dans un BJT. Baisser la tension de grille à 0,5 V augmente le courant de drain à 225 µA.

jfet simulation vin 0 1 dc 0.5 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Réduire davantage la tension de grille à 0,25 V élève le courant de drain à 306,3 µA, mais la relation est clairement non-linéaire : diviser par deux la tension de grille ne divise pas par deux le courant de drain.

jfet simulation vin 0 1 dc 0.25 j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 njf .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end

Pour visualiser la non-linéarité plus clairement, nous fixons la tension d'alimentation et faisons varier la tension de grille de 0 à 2 V.

jfet simulation vin 0 1 dc j1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc 25 .model mod1 njf .dc vin 0 2 0.1 .plot dc i(vammeter) .end

Le graphique montre que la majeure partie de la réduction du courant de drain (≈ 75 %) se produit dans le premier volt de tension de grille ; les 25 % restants requièrent un volt supplémentaire. La coupure survient à 2 V.

Courbes Caractéristiques du JFET

Les courbes caractéristiques illustrent le même comportement de régulation de courant vu dans les BJTs, mais l'espacement entre courbes révèle la non-linéarité du JFET.

Un modèle mental utile remplace le JFET par un couple de diodes à courant constant dont le courant de référence est fixé par la tension de polarisation inverse grille-source. Comme le canal est unipolaire, le dispositif est bilatéral — le courant peut circuler dans les deux sens entre source et drain.

Quand nous comparons les courbes du JFET à celles d'un BJT, les portions linéaires (non horizontales) des courbes du JFET sont notablement plus longues.

Dans la région triode, un JFET se comporte comme une résistance simple ; son courant drain-source est directement proportionnel à la tension drain-source. Ce comportement ohmique peut être exploité dans les circuits nécessitant une résistance commandée en tension.

Ici, le modèle rhéostat s'applique seulement sur une plage de tension étroite où le dispositif est profondément saturé. La résistance est fixée par la tension grille-source : un biais inverse plus faible donne une résistance plus faible (pente plus raide).

Puisque les JFETs sont des régulateurs de courant commandés en tension en région active, ils ne possèdent pas un facteur unique de gain de courant comme les BJTs. Au lieu de cela, leur performance est quantifiée par la transconductance (gm), mesurée en Siemens, qui représente le rapport du changement de courant de drain au changement de tension grille-source.

La transconductance n'est pas constante ; elle varie avec la tension de grille, comme illustré par l'équation quadratique :

Par conséquent, la relation courant de drain versus tension de grille est intrinsèquement non-linéaire, comme le montre la simulation SPICE.

Révision

• En mode actif, un JFET régule le courant de drain par la tension de polarisation inverse grille-source, analogue au contrôle de courant de base d'un BJT.
• La relation courant de drain versus tension de grille est non-linéaire ; la transconductance change sur la plage de fonctionnement.
• Dans la région triode, un JFET agit comme une résistance commandée en tension, avec une résistance fixée par le biais grille-source.

Fiches d'Exercices Connexes

• Fiche d'exercices Transistors à effet de champ à jonction (JFET)